专利名称：通过使用多片表面重组进行图像重构的系统和方法在传统的锥形束X射线计算机层析成像(CB CT)系统中，与检测器阵列面对地放置辐射的源，所述检测器被安排为使得检测器阵列的位置相对于源而固定。所述源和检测器然后相对于被成像的对象而机械地移动。在一些系统中，所述对象被保持固定不动，并且移动源-检测器组件；而在其它系统中，围绕对象旋转所述源和检测器，同时平移 (translate)对象。一些系统被配置为使得所述源描绘相对于对象的螺旋轨迹。这种系统能够获取层析成像图像的速率受限于支持所述源和检测器阵列的组件的旋转速率。在X射线层析成像系统中，诸如在例如实时层析成像(RTT)系统中，围绕一圆来安排多个X射线源，然而可能有更常规的沿着环绕关注区域的曲线的源的安排。这些源按照次序而开关，以便获得与从单个旋转辐射源获得效果相同的效果。在这样的系统中，检测器不能与给定源面对地放置，因为这个位置被另一源占据。这造成沿射线的衰减不能测量，所述射线与源的平面形成小于具体限制角的角。这样的系统可被称为“偏移检测器”系统。与传统且标准的螺旋锥形束层析成像系统相反的是，对于这样的“偏移检测器”系统，不存在其中测量沿所有射线的衰减的平面。因此，简单的二维逆雷顿(Radon)变换不能用于重构这个平面上的图像。用于重新获得这种系统的二维重构效率的一个已知方法是使用沿着处于与平面接近的射线的积分来近似沿着该平面中的射线的线积分。称为表面重组 (surfacerebinning)的更常规方法是使用与表面接近的线来进行近似。对于给定的检测器阵列形状和尺寸以及源轨迹，可能使用本领域已知的固定点算法来计算最佳的重组表面。当检测器的范围受限时，还可以在一些修改的情况下使用这个方法，在偏移系统中也是这样，或者更具体地，在其中检测器在相对于有源源的轴方向上不对称的系统中也是这样。然而，在偏移检测器的情况下，由于不存在与源平面形成锐角的射线，所以利用与一个表面接近的射线进行近似可能导致差的图像重构。因此，需要一种对来自层析成像系统的图像进行重构的方法，在该层析成像系统中，没有与辐射源直接面对地定位检测器。
在一个实施例中，本发明针对一种层析成像系统，包括彼此偏移的多个X射线源和多个检测器，其中所述多个源位于第一平面中，并且所述多个检测器位于与源的第一平面平行的多个平面中。所述层析成像系统还包括控制器，该控制器适于处理由所述多个检测器检测的X射线并生成三维图像，其中，所述控制器包括多个程序指令，当执行所述程序指令时，用于a)将所述检测的X射线的每一个重组到不平的表面上，b)执行在不平的表面上的所述重组数据的二维重构，以及c)根据多个所述表面上的所述重构图像来生成所述三维图像。可选地，所述控制器对所述重组数据进行过滤，以使所述三维图像的分辨率最大化。通过从与具有多于一片的表面接近的X射线收集数据来实现所述检测的X射线的每一个到不平的表面上的所述重组，并且其中，通过将二维加权逆雷顿(Radon)变换或者适合的二维重构中的至少一个施加到来自所有片的组合数据来随后实现每个表面上的重构。根据与多个重构的叠加图像、和与被成像的区域中的每个点交叉的每个多片 (multi-sheet)表面的各片的多个ζ位置相关的可同时求解等式组来推导出所述三维图像，多个多片表面的每个上存在一个重构的叠加图像。在任何类型的调整、惩罚或约束的情况下，使用如下手段中的至少一个来求解所述可同时求解等式组最小平方意义、残差的绝对值之和的最小化、残差的任何加权范数的最小化、其中根据数据误差的模型而推导所述权重的残差的任何加权范数的最小化、结构总最小范数、迭代重新加权的最小平方和迭代重新加权的范数方式、或者包括原始对偶方法、梯度方法、梯度投影方法、非线性重构方法的优化方法。在获得所检测的X射线数据的阈值量之后、在获得用于整个对象的数据之前，所述控制器启动所述三维图像的生成。所述多个X射线源是固定不动的。所述控制器使用合并了轴方向上的方向点扩展函数的所述联立等式组，以改善利用至少部分地不在重组表面上的所检测X射线进行的近似。所述控制器适于执行不进行多片表面上的过滤的后向投影；轴去卷积；和随后的对被成像体的每个经轴(transaxial)切片的过滤。所述控制器适于使用光学流技术或任何偏微分方程技术中的至少一个来校正重组表面上的正弦图 (sinogram)数据。在另一实施例中，本发明针对一种在层析成像系统中生成三维图像的方法，所述层析成像系统包括彼此偏移的多个X射线源和多个检测器，其中，所述多个源位于第一平面中，并且所述多个检测器位于与源的第一平面平行的多个平面中，还包括如下步骤a) 将所述检测的X射线的每一个重组到不平的表面上，b)执行在不平的表面上的所述重组数据的二维重构，以及c)根据多个所述表面上的所述重构图像来生成所述三维图像。可选地，所述方法还包括对所述重组数据进行过滤、以使所述三维图像的分辨率最大化的步骤。通过从与具有多于一片的表面接近的X射线收集数据来实现所述检测的X 射线的每一个到不平的表面上的重组的步骤，并且其中，通过将二维加权逆Radon变换或者任何适合的二维重构中的至少一个施加到来自所有片的组合数据来随后实现每个表面上的重构。通过求解与多个重构的叠加图像、和与被成像的区域中的每个点交叉的每个多片表面的各片的多个ζ位置相关的可同时求解等式组来执行该生成所述三维图像的步骤，多个多片表面的每个上存在一个重构的叠加图像。在任何类型的调整、惩罚或约束的情况下， 使用如下手段中的至少一个来求解所述可同时求解等式组最小平方、残差的绝对值之和的最小化、残差的任何加权范数的最小化、其中根据数据误差的模型而推导所述权重的残差的任何加权范数的最小化、结构总最小范数、迭代重新加权的最小平方和迭代重新加权的范数方式、包括原始对偶方法、梯度方法、梯度投影方法、非线性重构方法的优化方法。所述方法使用合并了轴方向上的方向点扩展函数的所述联立等式组，以改善利用至少部分地不在重组表面上的所检测X射线进行的近似。所述方法包括如下步骤执行不进行多片表面上的过滤的后向投影；轴去卷积；和随后的对被成像体的每个经轴切片的过滤。在获得所检测的X射线数据的阈值量之后、恰当地在已经获取用于整个对象的数据之前，启动该生成所述三维图像的方法。所述方法还包括使用光学流技术或任何偏微分方程技术中的至少一个来校正重组表面上的正弦图数据的步骤。在结合附图所阅读的详细描述中，将详述所公开的发明的这些和其它实施例和方面。由于当结合附图来考虑时、通过参考以下详细描述、本发明的这些和其他特征和优点变得更好理解，所以将领会它们。图1是具有两片(sheet)的典型最佳重组表面的图形表示；图2是用于示范RTT几何的最佳单个重组表面的图形表示；图3是在其中使用RTT系统来获得数据的示例中、束缚(constrict)可测量的射线的上限和下限的图形表示；图4A是标准的截短(truncate)的锥形束源的图形表示；以及图4B是诸如RTT之类的偏移几何系统的图形表示。
表示环绕关注区域的曲线。在一个实施例中，在诸如RTT之类的层析成像系统中， 它是具有与一圈源的半径相等的半径的曲线。在其中源近似为螺旋轨迹的实施例中，λ与经轴平面中的角极坐标成比例。在各个实施例中，与检测器阵列的实际形状无关地，通过源点α (λ)的射线利用通过ζ轴的平面上的规范为(αι(λ)，α2(λ)，0)的笛卡尔(Cartesian)坐标来进行参数表示。这个平面被称为虚拟检测器平面，并且在这个平面上使用笛卡尔坐标(U，V)。对于每个λ和u，选择通过重组行函数ν = V( λ，u)给出的射线、以及作为函数ζ (χ, y)的图形的表面。本领域的普通技术人员将知道如何获得最佳表面ζ和重组函数V。将三维图像f(x，y，z)重构为表面ζ。(χ，y)上的一系列图像，对于乘子 (multiple), λ ^通过接下来的函数来规定该三维图像.4 (Λ V) = f(x, V3 ζΑ> (Jf, V))( 2 )其中，x2+y2 < R2fov ；并且Rrav表示视场的半径。假设连续的源轨迹，用于重组表面的已知算法、以及用于螺旋锥形束计算机层析成像的函数生成使以下函数最小化
「00501 Q(V,.un) ~ iiλ da I il!-{&(A^uJ)Y
L J— J ! ,1 J -· J I · : t =, ( ξ(3)其中δ Ζ(λ，u，l) =hX+IV0(X，ιι)-ζ0(Χ(λ，ιι，1)，Υ(λ，u，l))(4)并且ρ是帕克(Parker)权重。等式3可以利用下面的收敛迭代来求解Vt,“,i0 ，f ‘ ,、「‘ ‘ / (//(C0(JrCi1UiZ)1FajIi1O)-M)
2ln(u)&t(u}J…》( 5 )
.ι / ！c ‘“ ‘ f, P.、h (ι*》. ^)*· j^-") J1 f ^ ι// ^ * J^TJJTi- ^ — ’ Λχ,ν,λΤ c oi i^( 6 )在诸如RTT系统之类的层析成像系统中，检测器阵列相对于源的位置对射线的测量提出了约束。当检测器阵列被投影到虚拟检测器平面上时，可以被测量的射线受到下限 ^^入，幻和上限 ^，幻的约束。图3是分别束缚所述可测量的射线的下限305和上限 310的图形表示。在本发明的实施例中，对于具有截短的或偏移的检测器阵列的系统V1U， u)彡V。( λ，u)彡V2 ( λ，u)，通过使用拉格朗日(Lagrange)乘子μ工和μ 2，在检测器上适应约束。为了适应任意的启用顺序，所述连续源轨迹通过一组已启用的源来替换，其中对于每个重组中心λ。，Sa包含具有λ G [Xci-Ji/2-δ，λ。+Ji/2+δ]的源。
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、.:(7 )其中δΖ(λ，u，1) = ζ(λ)+ ν0(λ，ιι)_ζ0(Χ(λ，u，1)，Υ(λ，u，1)) (8)其中，ζ(λ)给出了在源λ启用时它的z平移。指数q彡1确定将被最小化的范数(norm)，或者对于0 < q < 1，确定其它测量。在其中来自重组表面的射线的均方轴偏差的最简单情况q = 2下，对象函数是


本发明针对在层析成像系统中生成三维图像，所述层析成像系统具有与检测器偏移的X射线源，具体地针对在以下系统中生成三维图像，在该系统中，源位于一平面上、而检测器位于与源的平面平行的多个平行平面上，并且，检测器的所有平面位于源的平面的一侧。控制器进行操作以将检测的X射线重组到不平的表面中，执行所述表面上的二维重构，以及根据多个所述表面上的重构图像来生成三维图像。